一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验系统技术方案

本发明专利技术公开的一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验系统，属于热防护材料测试技术领域。本发明专利技术包括试件控制模块和高温高速两相流控制模块。其中，试件控制模块包括三维电动位移平台、角度控制机构、控制器，所述三维电动位移平台、角度控制机构由控制器控制。高温高速两相流控制模块包括粉末供给装置和燃烧器。通过形成高温高速两相流来模拟固体发动机中的工况来冲刷烧蚀热防护材料，分析并选择燃气富氧程度、烧蚀角度、火焰温度、粒子浓度、粒子速度、粒径、烧蚀时间作为主要影响参数，并提供对应参数的调节方式，且实现对各工况参数的宽范围独立调节或组合调节。本发明专利技术还具有实验成本低、便于操作、实现效率高的优点。实现效率高的优点。实现效率高的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验系统


[0001]本专利技术属于热防护材料测试
，涉及航空航天领域固体发动机内两相流对热防护材料的冲刷烧蚀，尤其涉及一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验系统。

技术介绍

[0002]固体火箭冲压发动机是导弹武器的重要动力装置，具备结构简单、工作时间长、制造成本相对较低等优势。为了提升固体推进剂能量特性，同时抑制发动机内的不稳定燃烧，常在推进剂中加入铝等金属颗粒，发动机中的热防护材料会因此经历较长时间高温高速两相流的冲刷烧蚀。两相流冲刷烧蚀过程中，绝热层在热化学烧蚀、气流侵蚀和粒子侵蚀的作用下厚度不断减薄，发动机热防护能力下降。此外，喷管喉衬经历两相流冲刷烧蚀会引起喷管喉径变化，进而影响发动机工作压力和推力。随着对发动机技术要求的提高，固冲发动机还会承受较复杂的横向、轴向过载联合作用，过载通过影响凝相粒子的运动状态加剧对补燃室中绝热层的烧蚀。因此，需要开展绝热层在补燃室工作环境下的烧蚀特性研究。
[0003]在固冲发动机工作过程中，发动机中的两相流会以不同燃气富氧程度、烧蚀角度、火焰温度、粒子浓度、粒子速度冲刷烧蚀热防护材料。因此，对热防护材料烧蚀的研究需聚焦在如何模拟不同的环境工况，发展一种成本较低的、可在较宽范围内快速调节燃气富氧程度、烧蚀角度、火焰温度、粒子浓度、粒子速度、粒径、烧蚀时间工况的模拟实验系统具有重要意义。
[0004]现有技术中对发动机中高温高速两相流冲刷热防护材料的实验方法主要有地面直连试验、地面旋转模拟过载试验台和试验发动机等，基本方法都是将热防护材料固定于发动机中进行实验，实验完成后取下试件进行分析。整个实验过程较复杂、成本较高、灵活性较差，一次发动机试验只能对一种工况进行模拟。此外，发动机工况的改变也较为繁琐，需对发动机结构、推进剂组成等进行调整。现有实验装置难以实现对燃气富氧程度、烧蚀角度、粒子浓度、粒子速度、烧蚀时间等因素的同时快速调节。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验系统，能够实现对不同燃气富氧程度、烧蚀角度、火焰温度、粒子浓度、粒子速度、粒径、烧蚀时间工况的模拟，实现不同工况在较宽范围内的组合和调节，且能够避免采用试验发动机时各个工况之间存在相关性的问题，实现对各工况参数的独立调节。本专利技术还具有实验成本低、便于操作、实现效率高的优点。
[0006]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：
[0007]本专利技术公开的一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验系统，包括试件控制模块和高温高速两相流控制模块。其中，试件控制模块包括三维电动位移平台、角度控制机构、控制器，所述三维电动位移平台、角度控制机构由控制器控制。高温高速两相流控制模块包括粉末供给装置和燃烧器。
[0008]试件控制模块由三维电动位移平台、角度控制机构和控制器组成。三维电动位移平台、角度控制机构由控制器控制。三维电动位移平台包括底座、螺杆、移动平台、小型剪叉升降机，控制移动平台在X、Y、Z三个方向的移动。三维电动位移平台的控制方法为：水平方向上，通过调整螺杆和的长度来改变移动平台的位置；竖直方向上，移动平台在底座上，由小型剪叉升降机控制底座的移动。角度控制机构包括第一支杆、第二支杆、带刻度的旋转件、直线运动电机、试件夹、试件、支撑件。角度控制机构的控制方法为：固定第一支杆与直线运动电机的空间位置，第二支杆夹持试件，通过带刻度的旋转件与第一支杆相连，第二支杆通过支撑件与直线运动电机的顶端相连，由于第二支杆的一端与第一支杆固定，位置确定，通过调整直线运动电机的长度来改变试件与竖直方向的夹角，该夹角能够通过带刻度的旋转件读取。直线运动电机的长度越长，第二支杆与竖直方向的角度越大,通过试件夹使试件在厚度方向上的中线与第二支杆轴线平行，进而使试件与竖直方向夹角与第二支杆与竖直方向夹角相等。试件夹与第二支杆通过螺栓连接，试件夹宽度可选，在实验中根据试件的宽度确定试件夹的宽度，使试件夹能够稳定夹持试件，保证试件在厚度方向上的中线与第二支杆轴线平行。通过直线运动电机长度控制试件角度之前需建立直线运动电机长度与试件角度的对应关系。移动平台在三个方向的移动与直线运动电机的运动均通过控制器控制，以精确控制移动平台位置和试件角度。在使用过程中，通过在控制器中输入试件的目标三维坐标和角度，控制器自动计算从当前位置到达目标位置的最佳路径，控制移动平台和直线运动电机移动。为了实现对烧蚀时间的精确控制，通过在控制器中预设实验时长，试件到达目标位置后开始计时，预定时长到达后，受控制器控制，试件位置自动移动，与两相流火焰分离。
[0009]作为优选，所述控制器选用四通道控制器。
[0010]高温高速两相流控制模块的主要由粉末供给装置和燃烧器组成。所述粉末供给装置用于实现固体颗粒的稳定输送，通过载气带动粉末进行输送。燃烧器用于气体进行混合燃烧和固体粉末点火燃烧。燃烧器与粉末供给装置出口相连。粉末供给装置输送的粉末和载气沿轴向进入燃烧器，在燃烧器轴向出口形成高温高速两相流，燃烧器设有其余气体入口。
[0011]所述粉末供给装置包括振动气动组合方式、活塞推杆流化腔流化组合方式。作为优选，所述粉末供给装置采用振动气动组合方式实现粉末供给。圆柱形粉罐底部与振动电机相连，振动电机具备振动力调节功能，载气从圆柱形粉罐底部入口进入，在振动和气流的共同作用下，圆柱形粉罐中的粉末随气流运动，粉末与载气沿圆柱形粉罐顶部轴向出口排出，经过气体输送管路进入燃烧器。
[0012]所述燃烧器包括切/轴射流燃烧器和轴向射流燃烧器。作为优选，所述燃烧器选用一种切/轴射流燃烧器，通过调节通入燃烧器中氧化剂与气相燃料的组成与流量，在燃烧器中形成稳定的高温层流火焰，加入固体颗粒用于模拟固冲发动机补燃室中的两相流。载气和固体颗粒通过轴向入口进入燃烧器，其余气体通过侧面的切向入口进入燃烧器。
[0013]通过改变通入燃烧器气体中氧化剂与燃料的配比调节燃气富氧程度，燃气富氧程度为加入氧气的量与气相燃料消耗氧气的量之差，通过计算得到燃气富氧程度，模拟不同燃气富氧程度。
[0014]通过试件控制模块调节试件的烧蚀角度，将烧蚀角度输入至通道控制器中，控制
直线运动电机长度改变试件与竖直方向角度，用以模拟不同烧蚀角度。
[0015]通过改变气相火焰的当量比和氧浓度调节火焰温度，通过红外热像仪测量火焰温度，用以模拟不同火焰温度。
[0016]作为优选，所述火焰温度变化范围为2000～3000K。
[0017]通过调节粉末供给装置振动电机振动力调节粉末质量流量，振动电机振动力越大，粉末质量流量越大，将粉末质量流量换算为粒子浓度，用以模拟不同粒子浓度。
[0018]通过调节通入粉末供给装置中载气流量调节所述粉末燃烧形成粒子的速度，通过高速相机测量粒子速度，用以模拟不同粒子速度。
[0019]作为优选，所述粒子速度变化范围为15～200m/s。
[0020]通过改变粉末供给装置中装填于圆柱形粉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验系统，其特征在于：包括试件控制模块和高温高速两相流控制模块；其中，试件控制模块包括三维电动位移平台、角度控制机构、控制器，所述三维电动位移平台、角度控制机构由控制器控制；高温高速两相流控制模块包括粉末供给装置和燃烧器；试件控制模块由三维电动位移平台、角度控制机构和控制器组成；三维电动位移平台、角度控制机构由控制器控制；三维电动位移平台包括底座、螺杆、移动平台、小型剪叉升降机，控制移动平台在X、Y、Z三个方向的移动；水平方向上，通过调整螺杆和的长度来改变移动平台的位置；竖直方向上，移动平台在底座上，由小型剪叉升降机控制底座的移动；角度控制机构包括第一支杆、第二支杆、带刻度的旋转件、直线运动电机、试件夹、试件、支撑件；固定第一支杆与直线运动电机的空间位置，第二支杆夹持试件，通过带刻度的旋转件与第一支杆相连，第二支杆通过支撑件与直线运动电机的顶端相连，由于第二支杆的一端与第一支杆固定，位置确定，通过调整直线运动电机的长度来改变试件与竖直方向的夹角，该夹角能够通过带刻度的旋转件读取；直线运动电机的长度越长，第二支杆与竖直方向的角度越大,通过试件夹使试件在厚度方向上的中线与第二支杆轴线平行，进而使试件与竖直方向夹角与第二支杆与竖直方向夹角相等；试件夹与第二支杆通过螺栓连接，试件夹宽度可选，在实验中根据试件的宽度确定试件夹的宽度，使试件夹能够稳定夹持试件，保证试件在厚度方向上的中线与第二支杆轴线平行；通过直线运动电机长度控制试件角度之前需建立直线运动电机长度与试件角度的对应关系；移动平台在三个方向的移动与直线运动电机的运动均通过控制器控制，以精确控制移动平台位置和试件角度；在使用过程中，通过在控制器中输入试件的目标三维坐标和角度，控制器自动计算从当前位置到达目标位置的最佳路径，控制移动平台和直线运动电机移动；为了实现对烧蚀时间的精确控制，通过在控制器中预设实验时长，试件到达目标位置后开始计时，预定时长到达后，受控制器控制，试件位置自动移动，与两相流火焰分离；高温高速两相流控制模块的主要由粉末供给装置和燃烧器组成；所述粉末供给装置用于实现固体颗粒的稳定输送，通过载气带动粉末进行输送；燃烧器用于气体进行混合燃烧和固体粉末点火燃烧；燃烧器与粉末供给装置出口相连；粉末供给装置输送的粉末和载气沿轴向进入燃烧器，在燃烧器轴向出口形成高温高速两相流，燃烧器设有其余气体入口。2.如权利要求1所述的一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验系统，其特征在于：所述控制器选用四通道控制器。3.如权利要求1所述的一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验系统，其特征在于：所述粉末供给装置包括振动气动组合方式、活塞推杆流化腔流化组合方式；所述粉末供给装置采用振动气动组合方式实现粉末供给；圆柱形粉罐底部与振动电机相连，振动电机具备振动力调节功能，载气从圆柱形粉罐底部入口进入，在振动和气流的共同作用下，圆柱形粉罐中的粉末随气流运动，粉末与载气沿圆柱形粉罐顶部轴向出口排出，经过气体输送管路进入燃烧器。4.如权利要求1所述的一种用于模拟高温高速两相流冲刷烧蚀的实验系统，其特征在于：所述燃烧器包括切/轴射流燃烧器和轴向射流燃烧器；所述燃烧器选用切/轴射流燃烧器，通过调节通入燃烧器中氧化剂与气相燃料的组成与流量，在燃烧器中形成稳定的高温层流火焰，加入固体颗粒用于模拟固冲发动机补燃室中的两相流；载气和固体颗粒通过轴
向入口进入燃烧器，其余气体通过侧面的切向入口进入燃烧器；通过改变通入燃烧器气体中氧化剂与燃料的配比调节燃气富氧程度，燃气富氧程度为加入氧气的量与气相燃料消耗氧气的量之差，通过计算得到燃气富氧程度，模拟不同燃气富氧程度；通过试件控制模块调节试件的烧蚀角度，将烧蚀角度输入至通道控制器中，控制直线运动电机长度改变试件与竖直方...

【专利技术属性】
技术研发人员：李佳，郭昆，王宽宇，李鹏昌，刘杰，李海波，石保禄，
申请(专利权)人：北京动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：